PLC、DCS、FCS三大類型控制系統(tǒng)的基本特點

丁善達趙景萍黃龍尹宏

（1.山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000；2.昆侖能源投資（山東）有限公司，山東青島 266500）

PLC、DCS、FCS三大類型控制系統(tǒng)的基本特點

丁善達1趙景萍2黃龍1尹宏1

（1.山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000；2.昆侖能源投資（山東）有限公司，山東青島 266500）

在自動控制發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了PLC、DCS、FCS三種控制方式，這三種控制方式有各自的特點。FCS是由PLC發(fā)展而來的，而在另一些行業(yè)，F(xiàn)CS又是由DCS發(fā)展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質的差異。本文概述了PLC控制系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)、FCS控制系統(tǒng)、三大控制系統(tǒng)的基本特點。

自動控制 可編程控制器PLC集散控制系統(tǒng)DCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

1 PLC控制系統(tǒng)的特點

PLC可編程控制器是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型自動化控制裝置，最早是用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計算、計時、計數(shù)以及順序控制等，而且只能進行開關量控制，因此其英文原名為“Programmable Logic Controller”，簡稱PLC，中文稱“可編程邏輯控制器”。可編程控制器與傳統(tǒng)的繼電器控制線路相比，具有很多優(yōu)點。

1.1 應用靈活

PLC為標準的積木式硬件結構，現(xiàn)場安裝十分簡便。各種控制功能通過軟件編程完成，因而能適應各種復雜情況下的控制要求，也便于控制系統(tǒng)的改進和修正，特別適合工藝流程變更較多的場合。

1.2 功能完善

PLC既有開關量輸入/輸出，也有模擬量輸入/輸出，還具有邏輯運算、算術運算、定時、計數(shù)、順序控制、PID調節(jié)、自診斷、記錄等功能。除了適用于離散型開關量控制系統(tǒng)外，也用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)。

1.3 操作方便，維修簡單

PLC采用工程人員習慣的梯形圖形式編程，易懂易學，編程和修改程序方便。PLC還具有完善的顯示和診斷功能，故障和異常狀態(tài)均有顯示，便于操作人員、維修人員及時了解出現(xiàn)的故障。出現(xiàn)故障后可通過更換模塊或插件迅速排除故障。

1.4 節(jié)點利用率高，成本低

傳統(tǒng)繼電器控制電路中一個繼電器只能提供幾個節(jié)點用于連鎖，在可編程控制器中，一個輸入中的開關量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需用的任意的連鎖節(jié)點，即節(jié)點在程序中可不受限制的使用。PLC提供的繼電器節(jié)點、計時器、計數(shù)器、順控器的數(shù)量與實際數(shù)量的繼電器、計時器、計數(shù)器、順控器相比要便宜得多。

1.5 安全可靠

PLC是適應于工業(yè)環(huán)境下應用的數(shù)字電路產(chǎn)品，制造時已從線路及電源等諸多方面嚴格把關，使之具有很強的抗干擾能力，PLC產(chǎn)品一般平均無故障時間可達幾萬小時。

2 DCS控制系統(tǒng)的特點

分散控制系統(tǒng)DCS又名集中分散控制系統(tǒng)，簡稱集散控制系統(tǒng)，是集計算機技術、控制技術、通訊技術和CRT技術為一體的綜合性高技術產(chǎn)品。DCS通過操作站對整個工藝過程進行集中監(jiān)視、操作、管理，通過控制站對工藝過程各部分進行分散控制，既不同于常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式的計算機控制系統(tǒng)，而是集中了兩者的優(yōu)點，克服了它們各自的不足。DCS是一個以微機為基礎的標準產(chǎn)品的分級系列，這些產(chǎn)品可以根據(jù)控制對象任意組合，為連續(xù)或間歇過程提供任意程度的分散控制。DCS具有如下特點。

2.1 控制功能多樣化

DCS的最低級為現(xiàn)場控制站或現(xiàn)場控制單元，一般都具有幾十種運算控制算法或其他數(shù)學和邏輯功能，如四則運算、邏輯運算、前饋、超前控制、PID控制等等。根據(jù)控制對象的不同要求，把這些功能有機地組合起來，能方便地滿足系統(tǒng)的要求。

2.2 操作簡單

DCS各級都配備了靈活的人機接口。操作員通過CRT可以對控制對象進行集中監(jiān)視，可通過各種功能鍵實現(xiàn)各種操作功能。

2.3 系統(tǒng)便于擴展

DCS的設計是根據(jù)不同規(guī)模的工程對象進行的。其設計采用積木式的結構，以模板、模板箱及控制柜和站為單位，逐步增加。用戶通過通訊可以方便地從單臺數(shù)字調節(jié)器或過程控制站擴展成小系統(tǒng)，或將小規(guī)模系統(tǒng)擴展成中規(guī)模或大規(guī)模系統(tǒng)。DCS設置有工程師站或工程師鍵盤，系統(tǒng)工程師根據(jù)控制對象可以生成需要的自動化控制系統(tǒng)。

2.4 維護方便

DCS的設計是按照標準化、積木化、系列化進行的。積木式的模板功能單一，便于裝配和維修更換，系統(tǒng)配有智能的自動故障檢查診斷程序和再啟動等功能，維修非常方便。

2.5 可靠性高

DCS是監(jiān)視集中而控制分散，故障影響面小，并且在設計時已考慮到有連鎖保護功能、自診斷功能、冗余措施、系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施等，使系統(tǒng)可靠性大大提高。

3 FCS控制系統(tǒng)的特點

現(xiàn)場總線組成的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。這是繼基地式儀表控制系統(tǒng)、單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、數(shù)字儀表控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)后的新一代控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案。即可以把來自不用廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設備通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡聯(lián)成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能。同時把DCS集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身便可以實現(xiàn)基本控制功能。

3.1 現(xiàn)場總線實現(xiàn)了徹底的分散控制

傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)采用了一對一的設備鏈接，按控制回路、檢測回路，分別進行連接。也就是說，位于現(xiàn)場的各類變送器、檢測儀表、各類執(zhí)行機構、調節(jié)閥、開關、電機等，和位于控制室內的盤裝儀表或DCS系統(tǒng)中監(jiān)控站內的輸入輸出接口之間，均為一對一的物理連接。現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用了智能現(xiàn)場設備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊，各類輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設備，再加上現(xiàn)場設備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送器儀表可以與調節(jié)閥等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。

3.2 現(xiàn)場總線簡化了系統(tǒng)結構

這是一場死亡的舞會。凡是參加了這個舞會的鬼子，都是在赴一場死亡之舞，非死即傷。鬼子被炸懵了，再也顧不得武士道精神，掉轉屁股趕緊往山下撤。

由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號。現(xiàn)場總線同時又為多個設備提供電源，現(xiàn)場設備不再需要A/D、D/A轉換部件，簡化了系統(tǒng)結構，節(jié)省連接電纜和安裝費用。

3.3 現(xiàn)場總線實現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性

現(xiàn)場總線建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡開放系統(tǒng)。用戶可以按自己的需要和考慮，不限定廠家、機型，把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化領域的開放互連系統(tǒng)。

3.4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的互可操作性和互用性

互可操作性是指實現(xiàn)互聯(lián)設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備，可實現(xiàn)互相替換。

3.5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用數(shù)字傳輸方式，提高傳輸精度

模擬通信方式是用4—20mA直流模擬信號傳送信息拓撲一對一方式，即一對線只能接一臺現(xiàn)場儀表，傳送方向具有單向性，因此，接收現(xiàn)場設備信息的配線和發(fā)給現(xiàn)場設備控制信號的配線是分開的。混合通信方式是在4—20mA模擬信號上，把現(xiàn)場儀表信息作為數(shù)字信號重疊的通信方式，加上模擬通信方式的功能，可以進行現(xiàn)場儀表量程的設定和零點調整的遠程設定。

3.6 現(xiàn)場總線節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費用

現(xiàn)場總線接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜通常可掛接多個設備，因而電纜、接線端子、槽合、槽架的用量大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無需增加新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關典型試驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝給用60%以上。

4 結語

雖然以現(xiàn)場總線為基礎的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷的發(fā)展與完善。可以肯定的是，結合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。

［1］湯媛PLC、DCS、與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的關系［J］.石油化工建設，2005（8）∶58-60.

［2］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用［M］.北京∶清華大學出版社，2003.

［3］何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及應用［M］.北京∶化學工業(yè)出版社，2002.

［4］PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點和差異分析［J］.自動化信息，2006（6）∶41-43.

丁善達（1988—），男，黑龍江肇東人，本科，初級工程師，研究方向：自動化控制。